Süsiniku allotroopid: grafiit, teemant ja muud vormid

Süsiniku allotroopid: grafiit, teemant ja teised vormid — struktuurid, omadused, kasutusvaldkonnad ja teaduslik tähendus.

Süsiniku allotroope on mitu. Kõige tuntumad on teemant ja grafiit. Grafiit on elektrijuht, poolmetall (element, mis on osaliselt metall ja mittemetall, näiteks must fosfor ja hall seleen). Seda saab kasutada näiteks elektrilise kaarlambi elektroodide materjalina. Grafiit on kõige stabiilsem tahke süsiniku vorm, mis on kunagi avastatud.

Mis on allotroopia?

Allotroobid on ühe ja sama keemilise elemendi erinevad vormid. Kõik elemendid koosnevad ainuüksi oma aatomitest. Kõik füüsikalised erinevused tulenevad sellest, kuidas aatomid on omavahel ühendatud. Paljudel elementidel esineb allotroopiat, sest aatomid võivad olla omavahel seotud mitmel viisil. Samuti on erinevaid viise, kuidas molekule saab paigutada, et moodustada suuremaid struktuure. Süsiniku puhul annavad erinevad sidemustrid ja kihilised või ruumilised võrgustikud väga erinevad omadused.

Peamised süsiniku allotroopid

• Teemant — aatomid on seotud tetraeedristes võrkudes (sp3-hübridisatsioon). Tema kõvadus ja kõrge valgusdispersioon muudavad ta sobivaks ehtekunstiks. Seda kasutatakse ka tööstuslikult. Teemant on kõige kõvem teadaolev looduslik mineraal, mis teeb temast suurepärase abrasiivseks vahendiks. Samuti säilitab teemant hästi oma läiget. Teemandil on väga hea soojusjuhtivus, kuid ta ei juhi elektrit puhtal kujul (erandina võib elektrijuhtivus esineda lisandite või defektide korral).
• Grafiit. — koosneb tasapinnalistest süsinikukihtidest, kus aatomid on seotud sp2-hübridisatsiooniga. Kihid on omavahel nõrgemate van der Waals’i jõududega seotud, mistõttu grafiit on libe ja seda kasutatakse määrdeainena. Grafiit on elektrijuht kihiti, mistõttu on leitud palju tööstuslikke rakendusi (nt elektroodid, anoodid akudes).
• Grafeen — ühekihiline sp2-side võrk, üks süsiniku aatomikiht. Grafeenil on erakordselt kõrge elektri- ja soojusjuhtivus ning suur mehaaniline tugevus; sellest on arendatud uusi elektroonilisi ja komposiitmaterjale.
• Fullereenid (nt C60) — molekulaarsed pallikujulised struktuurid, leidsid huvi nii teaduses kui ka tehnoloogias (nt meditsiinilised rakendused, elektronika). Neid toodetakse sageli tahma/kaarde protsessides.
• Süsiniknanotorud — torukujulised grafeeni rullid, millel on suur tõmme materjaliteaduses tänu kõrgele tugevusele ja elektrijuhtivusele.
• Amorfne süsinik (nt söed, tahm) — puudub pikaulatuslik korrapärane kristallstruktuur; kasutusel filtrites, pigmentides, elektronikas jpm.
• Lonsdaleiit — haruldane heksagonaalne teemandi vorm, mis tekib tavalisest teemantist erineva kokkusurumise korral (nt meteoriidi löögi tingimustes).

Struktuur ja sidemed

Süsiniku allotroopide erinevused selginevad peamiselt keemilistest sidemetest (sp3 vs sp2 vs sp). Sp3-sidemed loovad tugevaid kolmemõõtmelisi võrgustikke (teemant), mis annavad äärmise kõvaduse. Sp2-sidemed moodustavad lamedaid tugevaid võrke, mis kihiliselt kokku hoiavad eri omadusi (grafiit, grafeen). Molekulaarsetes allotroopides (fullereenid) on sidemed suunatud suletud kuju moodustamiseks.

Omadused ja kasutusvaldkonnad

Süsiniku allotroopide omadused on väga erinevad:

• Mehaanilised omadused: teemant on äärmiselt kõva, grafeen ja nanotöörid on aga väga tugevad ja elastsed.
• Elektrilised omadused: grafiit ja grafeen juhivad hästi elektrit; teemant on isolaator puhtal kujul.
• Soojusjuhtivus: teemant juhib soojust väga hästi; grafeenil ja nanotööridel on samuti kõrge soojusjuhtivus.
• Keemiline vastupidavus: teemant on keemiliselt stabiilne, grafiit võib kõrgel temperatuuril oksüdeeruda õhus.

Rakendused hõlmavad ehteid ja abrasiive (teemant), määrdeid ja elektroode (grafiit), aku- ja elektroonikakomponente (grafiit, grafeen), arvukaid nanotehnoloogilisi ja komposiitmaterjalide rakendusi (nanotorud, grafeen) ning teaduslikke ja meditsiinilisi katsetusi (fullereenid).

Stabiilsus ja üleminekud

Kuigi teemant on väga stabiilne kristallina, on graafiit termodünaamiliselt stabiilsem normaatingimustel — seetõttu loetakse grafiiti kõige stabiilsemaks tahkeks süsiniku vormiks. Teemant on metastaabilne ja tema üleminek graafiidiks nõuab kõrgeid temperatuurilisi ja/või keemilisi tingimusi; väga kõrgetes rõhkudes ja temperatuurides võib aset leida vastupidine ümberkujundus. Nii teemandil kui ka grafiidil on äärmiselt kõrge sulamistemperatuur (tehniliselt võib süsinik õhus ei sulagi vaid sublimatsiooniprotsessidega kõrgetel temperatuuridel), mis on mittemetalse elemendi puhul ebatavaline.

Kokkuvõte

Süsiniku allotroopid näitavad, kuidas sama aatomi erinev paigutus võib anda väga erinevaid materiaalseid omadusi — kõvast teemandist hästi juhiva grafiidini ja üliõhukese grafeeni või keerukate fullereenide ning nanotüvede maailmani. Tänu neile võimalustele on süsinik keskne element nii looduses kui ka kaasaegses tehnoloogias.

Küsimused ja vastused

K: Mis on süsiniku allotroopid?

K: Millised on kõige kuulsamad süsiniku allotroobid?

K: Mis on grafiit ja millised on selle omadused?

K: Mis on allotroobid?

K: Miks esineb erinevatel elementidel allotroopiat?

K: Mis on teemant ja millised on tema omadused?

K: Milline on nii teemandi kui ka grafiidi sulamistemperatuur?

Otsing